Nghiên cứu nâng cao chất lượng bộ điều khiển mờ

1 MỞ ĐẦU 1. Tính khoa học và cấp thiết của luận văn Bộ điều khiển kinh điển PID đã và đang được sử dụng rộng rãi để điều khiển các đối tượng SISO bởi vì tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc. Tuy nhiên bộ điều khiển PID vẫn còn một số hạn chế như trong xử lý nhiễu, tính ổn định của hệ thống khi thông số của đối tượng thay đổi… Những năm đầu thập kỷ 90 đến nay đã xuất hiện một xu hướng nghiên cứu mới đó là các phương pháp điều khiển thông minh sử dụng logic mờ do L. Zadeh đưa ra với nhiều ưu điểm mà logic kinh điển không làm được. Điều khiển mờ chính là bắt chước cách xử lý thông tin và điều khiển của con người đối với các đối tượng. Vấn đề nâng cao chất lượng cho các hệ thống công nghiệp, đặc biệt trong các quá trình sản xuất đang là vấn đề dành được nhiều sự quan tâm nghiên cứu. Vì vậy luận văn nghiên cứu phát triển phương pháp điều khiển mờ và áp dụng trên thiết bị thực là hệ thống điều khiển truyền động bám chính xác. 2. Phạm vi nghiên cứu, đối tượng và phương pháp luận Luận văn nghiên cứu về logic mờ và phát triển phương pháp thiết kế bộ điều khiển sử dụng logic mờ cho một số lớp đối tượng trong công nghiệp. Phương pháp luận của việc nghiên cứu là xuất phát từ lý thuyết về logic mờ, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng để kiểm chứng kết quả của việc nghiên cứu lý thuyết; cuối cùng là tiến hành thí nghiệm thực để đánh giá cả mô phỏng lẫn lý thuyết. 2 Việc kiểm nghiệm chất lượng bộ điều khiển mờ trên mô hình vật lý cụ thể là hệ thống truyền động bám chính xác cho thấy có thể giải quyết thành công các vấn đề điều khiển phức tạp khác trong các hệ thống công nghiệp, ví dụ như điều khiển máy vẽ có khả năng vẽ liên tục các đường nét của một hình cho trước. 3. Mục tiêu của luậnvăn - Nghiên cứu nâng cao chất lượng bộ điều khiển mờ áp dụng cho một số lớp đối tượng trong công nghiệp. - Kiểm chứng bằng mô phỏng và thực nghiệm trên mô hình vật lý cụ thể. 4. Ý nghĩa lí luận và thực tiễn 4.1. Ý nghĩa lí luận: - Nghiên cứu ứng dụng một công cụ tính toán mềm trong lĩnh vực điều khiển và tự động hoá; - Nâng cao chất lượng cho bộ điều khiển mờ giúp đơn giản hóa được quá trình thiết kế, loại bỏ thông tin thừa. 4.2. Ý nghĩa thực tiễn Mở ra khả năng ứng dụng bộ điều khiển mờ để điều khiển các đối tượng công nghiệp, đặc biệt vào các đối tượng phi tuyến, tham số bất định, thông tin không rõ ràng như: máy điều hoà nhiệt độ, máy giặt; điều khiển mức trong các balong hơi của các nhà máy giấy, nhà máy nhiệt điện, 5. Nội dung và bố cục của luận văn Luận văn được bố cục thành 3 chương với nội dung như sau: Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển tự động Chương 2: Logic mờ và phương pháp thiết kế bộ điều khiển Chương 3: Nghiên cứu nâng cao chất lượng bộ điều khiển mờ 3 Do trình độ và thời gian hạn chế, em rất mong nhận được những ý kiến góp ý của các thầy, cô giáo và các ý kiến đóng góp của đồng nghiệp. Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS.Nguyễn Hữu Công và sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong khoa Điện tử, khoa Điện - trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên. 4 CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 1.1. Các hệ thống điều khiển tự động 1.1.1. Điều khiển truyền thẳng 1.1.2. Điều khiển phản hồi 1.2. Tổng quan các bộ điều khiển phản hồi trong công nghiệp 1.2.1. Bộ điều khiển PID 1.2.2. Bộ điều khiển PID số 1.2.3. Bộ điều khiển sử dụng logic mờ 1.3. Chất lượng của hệ thống điều khiển tự động và yêu cầu khi thiết kế 1.4.Kết luận chương 1 - Nội dung chương đã đưa ra cái nhìn tổng quan về các bộ điều khiển trong các năm gần đây, từ các bộ điều khiển PID kinh điển, PID số đến bộ điều khiển thông minh logic mờ. Tuy nhiên mỗi phương pháp thiết kế vẫn còn tồn tại những nhược điểm và hạn chế. - Những tiến bộ khoa học kỹ thuật đạt được trong những năm gần đây đã khẳng định vị trí của tính toán thông minh. Đã có hàng loạt các công trình nghiên cứu, ứng dụng, xây dựng và thử nghiệm các hệ thống hỗ trợ quyết định dựa trên các công cụ tính toán mềm và xây dựng được một số mô hình tính toán mềm để giải các bài toán trong các lĩnh vực thông dụng. Luận văn cũng nghiên cứu nâng cao chất lượng của phương pháp điều khiển mờ và tiến hành thí nghiệm trên hệ thống vật lý cụ thể. 5 CHƯƠNG II LOGIC MỜ VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 2.1. Khái niệm chung 2.2. Một số vấn đề về cơ sở toán học của logic mờ 2.6.Cấu trúc chung của bộ điều khiển mờ 2.6.1. Sơ đồ cấu trúc chung Một bộ điều khiển mờ bao gồm các khối chức năng sau:  Giao diện vào : Nhiệm vụ chuyển đổi A-D, ngoài ra còn làm một số nhiệm vụ khác như chuẩn hóa tín hiệu, lấy các tham số động của tín hiệu.  Giao diện ra: Biến đổi D-A.  Mờ hóa: Biến đổi mỗi giá trị rõ đầu vào thành vector µ  Thiết bị hợp thành: Bản chất của nó là triển khai luật hợp thành R được xây dựng trên cơ sở các luật điều khiển  Giải mờ: Biến đổi mỗi tập mờ đầu ra µB’(y) thành giá trị rõ y 0 tương ứng với x 0 ở đầu vào. Trái tim của bộ điều khiển mờ chính là luật điều khiển. Các luật điều khiển mờ cơ bản là tập các mệnh đề hợp thành có cấu trúc If… then… và nguyên tắc triển khai các mệnh đề hợp thành đó có tên là MAX-MIN hay SUM-MIN… Mô hình R của luật điều khiển được xây dựng theo một nguyên tắc triển khai đã chọn trước và có tên gọi Giao diện vào Mờ hóa T.bị hợp thành Giải mờ Giao diện ra Hình 2.1: Mô hình của một bộ điều khiển mờ 6 là luật hợp thành. Thiết bị thực hiện luật hợp thành trong bộ điều khiển mờ gọi là thiết bị hợp thành. Để thiết bị thực hiện luật điều khiển làm việc đúng chế độ phải chọn cho nó các biến ngôn ngữ hợp lý có khả năng biểu diễn các đại lượng vào/ra chuẩn và phù hợp với luật điều khiển. Dạng đúng của luật điều khiển mờ cơ bản được hình thành nhờ quá trình luyện tập và kinh nghiệm thiết kế. Trong quá trình thiết kế và kiểm chứng bằng mô phỏng, người thiết kế có thể thêm hoặc bớt, chỉnh sửa các luật điều khiển sao cho phù hợp với các yêu cầu của quá trình công nghệ. 2.6.2. Phân loại bộ điều khiển mờ 2.6.3. Các bước tổng hợp bộ điều khiển mờ Cấu trúc chung của một bộ điều khiển mờ Các bước tổng hợp bộ điều khiển mờ: Bước 1: Khảo sát đối tượng, định nghĩa được các biến vào/ra và miền xác định của chúng: đối tượng biến đổi nhanh hay chậm, có trễ hay không, tính phi tuyến của đối tượng Bước 2: Định nghĩa các biến ngôn ngữ vào/ra và mờ hóa chúng. Về nguyên tắc số lượng các giá trị ngôn ngữ cho mối biến ngôn ngữ nên nằm trong khoảng từ 3 đến 10 giá trị. Nếu số lượng giá trị ít hơn 3 thì có ít ý nghĩa, vì không thực hiện được việc lấy vi phân. 7 Nếu lớn hơn 10, con người khó có khả năng bao quát, vì con người phải nghiên cứu đầy đủ để đồng thời phân biệt khoảng 5 đến 9 phương án khác nhau và có khả năng lưu giữ trong một thời gian ngắn Xác định hàm liên thuộc rất quan trọng vì quá trình làm việc của bộ điều khiển mờ rất phụ thuộc vào dạng và kiểu hàm liên thuộc. Nói chung là không có một lời khuyên nào khác cho việc chọn hàm liên thuộc là hãy chọn hàm liên thuộc từ những dạng hàm đã biết trước và mô hình hoá nó cho đến khi nhận được bộ điều khiển mờ làm việc như mong muốn. Cần chọn các hàm liên thuộc có phần chồng lên nhau và phủ kín miền giá trị vật lý để trong quá trình điều khiển không xuất hiện “lỗ trống”. Trong trường hợp với một giá trị vật lý rõ x 0 của biến đầu vào mà tập mờ B’ đầu ra có độ cao bằng 0 (miền xác định là tập rỗng) và bộ điều khiển không thể đưa ra quyết định điều khiển nào được gọi là hiện tượng “cháy nguyên tắc”, lý do là hoặc không định nghĩa được nguyên tắc điều khiển phù hợp hoặc là do các tập mờ của biến ngôn ngữ có những “lỗ hổng”. Cũng như vậy đối với biến ra, các hàm liên thuộc dạng hình thang với với độ xếp chồng lên nhau rất nhỏ, nhìn chung không phù hợp với bộ điều khiển mờ vì những lý do đã trình bày ở trên. Nó tạo ra một vùng “chết” trong trạng thái làm việc của bộ điều khiển. Trong một vài trường hợp đặc biệt, chọn hàm liên thuộc hình thang hoàn toàn hợp lý, đó là trường hợp mà sự thay đổi các miền giá trị của tín hiệu vào không kéo theo sự thay đổi bắt buộc tương ứng cho miền giá trị của tín hiệu ra. Nói chung, hàm liên thuộc được chọn sao cho miền tin cậy của nó chỉ có một phần tử, hay nói cách 8 khác chỉ tồn tại một điểm vật lý có độ phụ thuộc bằng độ cao của tập mờ. Bước 3: Xây dựng các luật điều khiển Khi xây dựng các luật điều khiển cần lưu ý là ở vùng lân cận điểm không thì không được tạo ra các “lỗ hổng”, bởi vì khi gặp phải “lỗ hổng” xung quanh điểm làm việc bộ điều khiển sẽ không thể làm việc đúng theo như trình tự đã định. Ngoài ra cần để ý rằng, trong phần lớn các bộ điều khiển, tín hiệu ra sẽ bằng không khi tất các các tín hiệu vào bằng không. Nếu cần, có thể chọn hệ số an toàn cho từng luật điều khiển, tức là khi thiết lập luật hợp thành chung R không phải tất các các luật điều khiển R k , k = 1, 2, …, n được tham gia một cách bình đẳng mà theo một hệ số an toàn định trước. Ngoài những hệ số an toàn cho tường luật điều khiển còn có hệ số an toàn cho từng mệnh đề điều kiện của mọi luật điều khiển khi số mệnh đề của nó nhiều hơn 1. Bước 4: Chọn thiết bị hợp thành Sử dụng luật MAX-MIN Sử dụng luật MAX-PROD Sử dụng luật SUM-MIN Sử dụng luật SUM-PROD Bước 5: Giải mờ và mô phỏng và tối ưu hóa Phương pháp giải mờ được chọn cũng gây ảnh hưởng đến độ phức tạp và trạng thái làm việc của toàn bộ hệ thống. Thường trong thiết kế hệ thống điều khiển mờ, giải mờ bằng phương pháp điểm trọng tâm có ưu điểm hơn cả. 9 Bước 6: Tối ưu hóa hệ mờ Sau khi bộ điều khiển mờ đã được thực hiện, có thể ghép nối nó với đối tượng điều khiển thực hoặc với một đối tượng mô phỏng để thử nghiệm. Trong quá trình thử nghiệm cần đặc biệt kiểm tra xem có tồn tại “lỗ hổng” nào trong quá trình làm việc hay không, tức là phải xác định xem tập các luật điều khiển được xây dựng có đầy đủ hay không để khắc phục. Nguyên nhân của hiện tượng “lỗ hổng” có thể do việc thiết lập các nguyên tắc điều khiển chung quanh điểm làm việc không phủ lên nhau hoàn toàn, hoặc là có một số kết quả sai trong các nguyên tắc điều khiển được thiết lập. Một hiện tượng nữa có thể xảy ra là bộ điều khiển làm việc không ổn định, vì nó nằm quá xa điểm làm việc. Trong mọi trường hợp trước hết nên xem lại các luật điều khiển cơ sở. Sau khi đã đảm bảo được bộ điều khiển làm việc ổn định và không có các “lỗ hổng”, bước tiếp theo là tối ưu trạng thái làm việc của nó theo các chỉ tiêu khác nhau. Chỉnh định bộ điều khiển theo các chỉ tiêu này chủ yếu được thực hiện thông qua việc hiệu chỉnh hàm liên thuộc và thiết lập thêm các nguyên tắc điều khiển bổ sung hoặc sửa đổi lại các nguyên tắc điều khiển đã có. Việc chỉnh định sẽ rất có hiệu quả nếu như được thực hiện trên một hệ kín. Khi xử lý các kết quả chỉnh định cần đặc biệt để ý khi các hệ thống không phụ thuộc vào thời gian hoặc các hệ thống có hằng số thời gian trễ T 1 lớn. Những tính chất này của hệ sẽ làm cho các biến đổi khi chỉnh định thường khó nhận biết. Trong các trường hợp đó tốt hơn là nên thực hiện từng bước và ghi lại biên bản cho từng trường hợp Bước 7: Thử nghiệm trên đối tượng thực 2.7.Điều khiển mờ tĩnh 10 2.8. Điều khiển mờ động 2.9. Điều khiển mờ lai 2.10. Kết luận chương 2 - Chương 2 luận văn đã hệ thống các kiến thức cơ bản về logic mờ và phương pháp thiết kế bộ điều khiển nhằm phục vụ cho việc lập luận xấp xỉ, một thành phần khá quan trọng trong các ứng dụng mờ. - Các kiến thức cơ sở trong chương 2 là các kiến thức cơ sở cho các kết quả nghiên cứu và ứng dụng được trình bày ở chương 3. y Bộ điều khiển mờ I P D [...]... pháp điều khiển như LQG, MRAS trong [8] và cần thử nghiệm với các phương pháp điều khiển khác Vì vậy luận văn đề xuất thử nghiệm với bộ điều khiển mờ và nghiên cứu nâng cao chất lượng của bộ điều khiển - Bộ điều khiển gồm có hai đầu vào và một đầu ra: đầu vào thứ 1 là sai lệch đặt vào bộ điều khiển ký hiệu là E, đầu vào thứ 2 là đạo hàm của đầu vào thứ nhất ký hiệu là IE và đầu ra của bộ điều khiển. .. Time (s) Hình 3.12 Đáp ứng đầu ra của bộ PI mờ với kích thích xung pulse Nhận xét: - Đã thiết kế bộ điều khiển PI -mờ với hai đầu vào (đầu vào thứ hai là tích phân của đầu vào thứ nhất) và một đầu ra Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển FLC ổn định, độ quá điều chỉnh nhỏ và tác động nhanh - Đã nghiên cứu nâng cao chất lượng bộ điều khiển PI -mờ với bộ điều khiển mờ còn 9 luật theo tiêu chuẩn tích phân... thống với bộ FLC rất tốt, tín hiệu ra bám được theo giá trị đặt, sai lệch rất nhỏ và ổn định với nhiễu hệ thống - Từ thực nghiệm ta thấy rằng bộ điều khiển sử dụng FLC có thể ứng dụng được vào trong điều khiển các đối tượng thực tế đảm bảo chất lượng hệ thống đạt yêu cầu 3.4 Kết luận chương 3 Luận văn đã nghiên cứu thiết kế một bộ điều khiển mờ động và nghiên cứu nâng cao chất lượng cho bộ điều khiển qua... ụ trượt so với hệ toạ độ gốc 3.2 Nghiên cứu thiết kế và nâng cao chất lượng bộ điều khiển Bài toán điều khiển ở đây là điều khiển chuyển động đến 1 vị trí chính xác theo giá trị đặt với yêu cầu đảo chiều liên tục đòi hòi bộ điều khiển tác động nhanh, loại bỏ được nhiễu ma sát sao cho quá trình gia tốc, giảm tốc của con trượt êm hơn Với mục tiêu nghiên cứu các bộ điều khiển khác nhau với đối tượng là... đã nghiên cứu thiết kế một bộ điều khiển mờ động và nghiên cứu nâng cao chất lượng cho bộ điều khiển qua thực nghiệm giảm số luật điều khiển được đánh giá theo tiêu chuẩn tích phương bình phương sai lệch Phương pháp thiết kế được kiểm chứng bằng mô phỏng và thí nghiệm trên hệ thống vật lí cụ thể là hệ thống truyền động bám chính xác Điều này càng chứng tỏ khả năng ứng dụng của bộ điều khiển mờ trong... bánh răng 3.3.2 Cấu trúc điều khiển và bộ điều khiển FLC Bài toán điều khiển ở đây là điều khiển chuyển động đến 1 vị trí chính xác theo giá trị đặt với yêu cầu đảo chiều liên tục đòi hòi bộ điều khiển tác động nhanh, loại bỏ được nhiễu ma sát sao cho quá trình gia tốc, giảm tốc của con trượt êm hơn Hình 3.16 Cấu trúc điều khiển hệ thống truyền động bám chính xác 23 Bộ điều khiển FLC được thiết kế trên... liên thuộc: Ta chọn các hàm liên thuộc đầu vào, ra hình gauss như hình vẽ 14 Hình 3.3 Định nghĩa các tập mờ cho biến E của bộ điều khiển mờ - Xây dựng các luật điều khiển: Hệ luật điều khiển được xây dựng theo bảng sau, tổng cộng có 81 luật điều khiển: Bảng 4.2 Luật điều khiển mờ 15 - Đánh giá chất lượng hệ thống mà cần quan tâm đến tốc độ biến thiên của sai lệch e(t) thì ta dùng công thức sau: ∞ I 4...11 CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO ĐỐI TƯỢNG CÔNG NGHIỆP 3.1 Xây dựng mô hình toán học đối tượng 3.1.1 Lựa chọn đối tượng Hình 3.1 MEDE 5 Hình 3.1 là mô hình nghiên cứu là một hệ thống thí nghiệm xây dựng từ mô hình có tên là MeDe5 (Mechatronic Demonstrate Setup2005) do nhóm kĩ thuật điều khiển thuộc bộ môn kỹ thuật Điện, khoa Kỹ thuật Điện,... dụng của bộ điều khiển mờ trong việc thiết kế các hệ thống tự động trong công nghiệp  Kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo 1 Nghiên cứu thử nghiệm bộ điều khiển mờ trên các hệ thống vật lí cụ thể khác, đặc biệt là các hệ thống có độ phi tuyến cao; 2 Nghiên cứu chế tạo và tích hợp bộ điều khiển mờ trên các chip vi xử lý và đưa vào sử dụng trong thực tế ... Để chất lượng của hệ thống là tốt nhất, sai số là nhỏ nhất thì bộ điều khiển là tối ưu khi I4 →min Ta có sơ đồ mô phỏng: Hình 3.6 Mô phỏng bộ điều khiển mờ theo tiêu chuẩn tích phương bình phương sai lệch 16 Xét khi γ =0.02, Imin = 0.4142605601503 Xét khi γ =1.5, Imin = 7.5566485967973 Qua thử nghiệm và đánh giá chất lượng theo chỉ tiêu I 4, Số luật điều khiển đã cải tiến và lược bỏ bớt còn 9 luật điều . động nhanh. - Đã nghiên cứu nâng cao chất lượng bộ điều khiển PI -mờ với bộ điều khiển mờ còn 9 luật theo tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch. Kết mô phỏng nhận thấy bộ điều khiển ổn định,. điều khiển như LQG, MRAS trong [8] và cần thử nghiệm với các phương pháp điều khiển khác. Vì vậy luận văn đề xuất thử nghiệm với bộ điều khiển mờ và nghiên cứu nâng cao chất lượng của bộ điều. sau: Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển tự động Chương 2: Logic mờ và phương pháp thiết kế bộ điều khiển Chương 3: Nghiên cứu nâng cao chất lượng bộ điều khiển mờ 3 Do trình độ và thời gian